来源：生命科学前沿
北京时间2024年9月25日23时，Nature同期连发两篇重磅研究，揭示了Type-2免疫在维持经CAR-T治疗的B-ALL患者超 8年无癌临床反应的关键作用，以及Type-2细胞因子Fc–IL-4协同Type-1免疫疗法高效、持久清除多种实体肿瘤的内在免疫学和分子生物学机制。
这两项研究分别聚焦患者长期临床追踪（超10年）和临床前机理研究，得出了一致且相互支持的结论，即Type-2免疫可能在维持长效持久的抗癌免疫反应中起关键作用。这一发现揭示了Type-2免疫反应在肿瘤免疫中的未知功能，挑战了传统免疫学关于Type-2免疫应答在肿瘤免疫中负面作用的认知，并可能推动未来肿瘤免疫治疗设计的范式转变。
美国耶鲁大学樊荣教授课题组和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）唐力教授课题组，共同领导了这两项研究。耶鲁大学白志亮博士和EPFL冯兵博士为两篇文章的共同第一作者。宾夕法尼亚大学CAR-T细胞疗法先驱Carl H. June教授和费城儿童医院的Stephan A. Grupp教授、克利夫兰诊所著名免疫学家J. Joseph Melenhorst教授，以及浙江大学药学院的郭雨刚研究员作为共同通讯作者参与研究。
免疫系统在肿瘤的发生、发展及治疗过程中扮演着关键角色。传统观点认为，Type-1免疫反应是肿瘤免疫治疗的核心力量【1,2】而削弱Type-1免疫应答的Type-2免疫反应通常被视为促进肿瘤进展的因素【3】。以CAR-T细胞疗法和免疫检查抑制剂（Immune checkpoint inhibitor，ICB）为代表的免疫疗法均主要用于诱导Type-1免疫反应，并且在肿瘤治疗领域取得了革命性突破。这些创新疗法通过激活患者自身的免疫系统，有效地识别并消灭癌细胞，为许多此前难以治疗的癌症患者带来了新的希望。靶向CD19的CAR-T疗法在复发/难治型B细胞急性淋巴白血病（B-ALL）等血液肿瘤中展现出了卓越的疗效；ICB已被广泛应用于黑色素瘤、肺癌和肾癌等多种实体瘤的治疗。部分经过免疫治疗的患者甚至实现了长期缓解或治愈。然而，在临床实践中现有的免疫治疗仍然面临诸多挑战，低响应率和高复发率的问题尤为突出。因此，我们对肿瘤免疫反应的理解仍需拓展和加深，以期进一步开发免疫疗法的潜力。
CAR-T细胞治疗部分血液癌的初始响应率很高，然而，近一半的患者在一年内复发。为解开获得长期临床纾解之谜，在第一项研究中，樊荣教授课题组联合Carl H. June、Stephan A. Grupp、J. Joseph Melenhorst和唐力团队对来自82名儿童B-ALL患者和6名健康捐献者的超百万回输前CAR-T细胞进行了单细胞多组学测序（图1a），从而精准揭示了CAR-T细胞功能特性和临床反应持久性的关系。入组病人来自全球最早的两批儿童B-ALL临床试验 （NCT01626495, NCT02906371），随访时间超10年。临床实践中通常使用病人B细胞再生障碍（B cell aplasia，BCA）作为CAR-T疗效持久性的替代指标。研究人员根据BCA持续时间将82名病人分为5组，其中BCA-L组的5名病人中位缓解时间超8.4年，另有BCA-O组的11名病人维持了超5年的无复发响应。单细胞聚类分析发现Type-2 CAR-T在BCA-L和BCA-O组中的比例显著高于其他病人（图1b, c），该结果进一步通过流式分析和分泌蛋白检测进行了验证。单细胞Ligand-receptor交互作用分析揭示了Type-2 CAR-T主要参与调控一个功能失调亚群，该亚群细胞的杀伤毒性（Cytotoxicity）过度激活、功能效应（Functionality）严重缺位、衰竭特征（Exhaustion）全面显现、复制增殖（Proliferation）几近消失。该调控机制维持了CAR-T整个群体的Type-1和Type-2免疫稳态，增强了其持久性。通过在肿瘤特异性激活过程中添加Type-2细胞因子，CAR-T细胞的功能状态在转录组学和表观组学层面均得到了增强。为进一步研究Type-2免疫在CAR-T回输后的作用，团队对33名病人在接受CAR-T治疗后近两个月不同时间点的345份血清样品进行了蛋白组学分析，证实了BCA-L和BCA-O病人血清中Type-2细胞因子的含量显著更高。
图1.大规模单细胞多组学测序揭示Type-2 CAR-T在维持急性淋巴白血病患者8年无复发缓解中的关键作用。a. 研究流程图b. 单细胞聚类分析 c. Type-1 和Type-2功能亚群的分布及其在不同临床组别之间的比例对比分析。
基于这些发现，研究人员在动物模型中进行了验证。结果显示，Type-2 High CAR-T细胞的体内增殖能力较Type-2 Low CAR-T细胞提高了十倍以上，展现出更强的记忆特性和减弱的耗竭特性，显著延长了抗肿瘤作用的持久性，尤其在肿瘤细胞二次刺激后表现尤为突出。为了解决Type-2 Low CAR-T细胞效能不足的问题，研究团队提出了两种创新策略：一是在CAR-T细胞制备过程中加入微量的IL-4，二是在回输前用IL-4对CAR-T细胞进行预处理。两种方案均有效提升了Type-2 Low CAR-T细胞的肿瘤杀伤能力。研究结果为开发持久有效的CAR-T细胞疗法提供了关键分子机制，并提出了通过增强CAR T细胞的Type-2功能来维持长期缓解的潜在治疗策略。
樊荣教授指出：“我们实验室在2017-2019年间率先开展了全球首个CAR-T细胞单细胞测序研究【4】，发现这些经过工程化改造的T细胞与正常人体内的T细胞显著不同，呈现出混合的Type-1/Type-2功能状态。这引发了我们对Type-2功能的深入探究，随后的小规模病人研究表明，Type-2功能的缺失与CD19+复发显著相关【5】。在本项研究中，我们通过单细胞多组学技术分析了全球最早的两个CAR-T治疗儿童B-ALL的临床试验患者样本，再次确认了Type-2功能在持久应答中的关键作用，揭示了其作用机制，并设计了新的治疗策略来进一步提升疗效。这项工作有望让每一位接受CAR-T治疗的患者都成为超长期应答者，甚至完全治愈！该研究完美展示了如何通过大规模临床单细胞多组学数据直接揭示生物机制，推动癌症治疗取得新突破。”
与此同时，EPFL唐力教授课题组开展了一系列研究工作，尝试揭示Type-2免疫因子在肿瘤免疫疗法中的反传统作用和对当前肿瘤免疫疗法的影响【6,7】 。在刚发表的第二项研究中，该课题组联合郭雨刚和樊荣团队利用具有长循环特性的Type-2免疫细胞因子Fc–IL-4，通过与CAR-T细胞疗法、ICB治疗（Type-1免疫疗法）等联用，探究其在实体肿瘤中的作用。结果发现，该联合疗法在多种同源和异种移植实体肿瘤模型中都表现出强大的抗肿瘤效果，并能够激活持久的免疫记忆效应。比如，在黑色素肿瘤YUMM1.7-OVA模型中，Fc–IL-4联合OT1细胞疗法实现了100%的肿瘤清除；在结肠癌MC38-HER2模型中，Fc–IL-4联合HER2-CAR-T细胞疗法实现了87%的肿瘤清除；在Raji人淋巴瘤的NSG小鼠模型中， 人源的Fc–IL-4联合CD19-CAR-T细胞疗法清除了75%的肿瘤。除此之外，在结肠癌MC38模型中，Fc–IL-4与ICB联用实现了100%的肿瘤清除。所有获得肿瘤清除的小鼠全部能抵抗第二次肿瘤细胞的接种，实现持久的免疫保护（图2a, b）。
图2. Type-2免疫细胞因子Fc–IL-4协同Type-1免疫疗法有效清除实体肿瘤。MC38-HER2 荷瘤小鼠接受联合疗法后的生存曲线 (a) 和治愈后的小鼠再次接种MC38-HER2肿瘤后的生存曲线 (b); (c) Fc–IL-4调控终端耗竭CD8+ T细胞的机制示意图。
研究人员进一步研究了Fc–IL-4在抗肿瘤中的免疫学和分子生物学机制。他们发现， Fc–IL-4 的抗肿瘤效力是通过直接作用于肿瘤内终端耗竭 CD8+ T 细胞。Fc–IL-4有效降低了T细胞凋亡，特异性地增加终端耗竭CD8+ T细胞的数目并显著增强其杀伤肿瘤细胞的能力。通过整合单细胞流式分析、多组学测序、代谢组学分析和Seahorse测试等试验，研究人员揭示了Fc–IL-4主要通过调控终端耗竭 CD8+ T 细胞的代谢，尤其是增强其糖酵解来改善T细胞功能和存活。团队进一步发现Fc–IL-4需要同时激活STAT6以及mTOR通路并上调多种糖酵解相关的代谢酶，尤其是乳酸脱氢酶LDHA来提高终端耗竭CD8+ T细胞的功能。另外，研究发现终端耗竭T细胞内的NAD+ 水平显著降低，而Fc–IL-4以LDHA依赖的方式有效提高了终端耗竭CD8+ T细胞内的NAD+ 含量，改善其功能（图2c）。
在这项研究中，Fc–IL-4作为典型的Type-2 细胞因子，与 Type-1 免疫疗法有效协同，触发持久的抗癌反应。该研究不仅揭示了Type-1 和Type-2免疫反应之间的协同抗肿瘤效应，还创新性地使用Type-2 免疫因子在临床前动物模型中证实了其强大的抗癌作用。这一发现为新一代癌症免疫疗法的开发开创了新的范式，即通过有效平衡Type-1 和Type-2免疫反应，推动肿瘤免疫治疗的进一步突破。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07762-w
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07962-4
两项研究工作的共同第一作者冯兵博士即将入职中国科学院杭州医学研究所，担任研究员并建立课题组，继续开展肿瘤免疫调控和细胞疗法的相关研究工作。目前课题组急需招聘副研究员、博士后、博士生和科研助理，欢迎有兴趣者联系本人（bingfengepfl@gmail.com）。
参考文献：
1. Wei, S. C. et al. Distinct Cellular Mechanisms Underlie Anti-CTLA-4 and Anti-PD-1 Checkpoint Blockade. Cell 170, 1120–1133 (2017).
2. Lee, E. H. J. et al. Antigen-dependent IL-12 signaling in CAR T cells promotes regional to systemic disease targeting. Nat. Commun. 14, 4737 (2023).
3. Gao, S., Hsu, T. W. & Li, M. O. Immunity beyond cancer cells: perspective from tumor tissue. Trends in Cancer 7, 1010–1019 (2021).
4. Xhangolli, I. et al. Single-cell Analysis of CAR-T Cell Activation Reveals A Mixed TH1/TH2 Response Independent of Differentiation. Genomics, Proteomics Bioinforma. 17, 129–139 (2019).
5. Bai, Z. et al. Single-cell antigen-specific landscape of CAR T infusion product identifies determinants of CD19-positive relapse in patients with ALL. Sci. Adv. 8, eabj2820 (2022).
6. Guo, Y. et al. Metabolic reprogramming of terminally exhausted CD8+ T cells by IL-10 enhances anti-tumor immunity. Nat. Immunol. 22, 746–756 (2021).
7. Zhao, Y. et al. IL-10-expressing CAR T cells resist dysfunction and mediate durable clearance of solid tumors and metastases. Nat. Biotech. (2024) doi:10.1038/s41587-023-02060-8.
专家点评：重新思考肿瘤免疫中的Type-2免疫应答：突破与启示
李明（美国纪念斯隆凯特琳癌症中心，Memorial Sloan Kettering Cancer Center）
Type-1免疫被广泛视为抗肿瘤的主要免疫应答类型，在肿瘤免疫治疗中发挥核心作用。相比之下，Type-2免疫因其与Type-1免疫具有拮抗作用，其在肿瘤的发生、发展和治疗中的作用更加复杂。在一些依赖Type-1免疫应答的肿瘤模型中，Type-2免疫常与免疫抑制微环境相关，从而促进肿瘤生长。然而，越来越多的研究表明Type-2免疫也能抑制肿瘤的发展。例如，在动物模型中，Type-2免疫细胞Th2细胞、嗜酸性粒细胞和M2巨噬细胞，以及相关的细胞因子如IL-10、IL-33等也展现出抗癌潜力。尽管如此，关于Type-2免疫与癌症治疗关系的临床研究仍然相对较少。
近日，耶鲁大学樊荣教授团队与EPFL唐力教授课题组合作，在Nature同期发表了两篇研究，揭示了Type-2免疫在肿瘤免疫治疗中出乎意料的积极作用。这两项研究的创新之处在于，结合了长达10年的患者临床随访数据与详尽的临床前机制研究，得出了Type-2免疫在维持长期抗癌免疫中发挥关键作用的结论。
第一项研究以接受CD19 CAR-T治疗的儿童B-ALL患者为研究对象，通过单细胞多组学测序技术，揭示了Type-2免疫在CAR-T治疗后的功能特性及其与长期无癌生存的关联。研究发现，维持超8年临床缓解的患者Type-2 CAR-T细胞的比例显著高于其他患者。这一发现颠覆了传统观点，表明Type-2免疫在特定情况下，尤其在血液肿瘤中，对CAR-T疗法的持久性至关重要。
第二项研究重点探讨了新型Type-2细胞因子Fc-IL-4的开发与应用。研究表明，Fc-IL-4与现有的CAR-T疗法和ICB联用，显著提升了多种实体肿瘤的清除效果。在黑色素瘤和结肠癌等多个模型中，Fc-IL-4与Type-1免疫疗法协同作用，触发了持久的抗肿瘤免疫反应。该研究不仅展现了Type-2免疫因子在增强抗癌效果中的潜力，还揭示了Type-1和Type-2免疫并非对立，而是存在可以有效利用的协同效应。
这些研究带来的启示是，肿瘤免疫治疗或许不能仅依赖于激活Type-1免疫。为了实现长期的癌症缓解，可能需要对免疫系统的不同分支进行更精细的调控，尤其是在Type-1和Type-2免疫应答之间寻求平衡。通过重新评估Type-2免疫在癌症治疗中的作用，这些研究为未来肿瘤免疫疗法的设计提供了新的视角，并为那些对传统疗法反应不佳的患者带来了新的希望。
